專利名稱：一種金屬氮化物阻擋層的制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件制造技術領域，具體涉及一種金屬氮化物阻擋層的制備方法。
背景技術：
在半導體技術領域，最早的互連金屬是Al，然而隨著器件的集成度的不斷提高，特別是超大規模集成電路的發展，器件的特征尺寸不斷縮小，芯片上互連線的截面積和線間距持續下降，這導致了互連線電阻R和寄生電容C不斷增大，使得互連線的延遲時間常數 RC大幅度提高。由于延遲時間常數RC在集成電路系統延遲中所占的比例越來越大，使其成為限制互連速度的主要因素。
為了保證集成電路的高速度、高集成度、高穩定性以及低功率，需要進一步減小互連線電阻R和寄生電容C。前者的解決方法是采用電阻率更低的Cu金屬來代替傳統的互連金屬Al，即開發Cu互連技術，后者則需要開發低介電常數k的材料作為絕緣介質材料。
目前，Cu互連已經替代Al互連成為主流工藝，然而在其應用過程中也帶來了一些新的問題I) Cu在Si及其氧化物及大部分介質層中擴散很快，且Cu—旦進入器件中就會形成深能級雜質，對器件中的載流子有很強的陷阱效應，使器件性能退化甚至失效。
2) Cu在200 °C以下極易與S1、SiO2發生反應，形成銅硅化合物造成組件失效。
3) Cu與介質材料的粘附性較差，導致集成電路中薄膜的機械強度不夠高。
4) Cu不像Al可形成一層致密的氧化物保護層，因此易被氧化和腐蝕，從而影響金屬連線的導電穩定性。
為了解決這些問題，需要在Cu與介質之間添加一層超薄的阻擋層來抑制銅與介質的反應。由于集成電路工藝 要進行較高溫度的熱處理，作為具有擴散阻擋作用的阻擋層應具有良好的熱穩定性、導電性，與其上的Cu及其下的介質都有好的粘附性、較小的熱應力及機械應力。
金屬氮化物(例如HfN、TaN、TiN、MoN等)因具有優良的熱穩定性和電學特性而被研究用來作為阻擋層材料。其中TaN因其優異的阻擋性能成為廣泛使用的Cu互連阻擋層材料。同時為了提高與Cu的粘附性，通常采用Ta/TaN雙層結構。
TaN阻擋層通常用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)的方法制備， 此方法的一個問題是薄膜不夠致密存在孔洞，這將導致其阻擋性能變差。隨著器件的特征尺寸的不斷縮小，阻擋層將變得愈來愈薄，這一問題將愈加突出。發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種金屬氮化物阻擋層的制備方法，使用此方法制備阻擋層可提高阻擋層的致密性。
為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為一種金屬氮化物阻擋層的制備方法，所述金屬氮化物阻擋層采用物理氣相沉積方法制備，在沉積金屬層時，物理氣相沉積設備上的離子源產生氮離子束，向所述金屬層中注入氮離子。
上述方案中，所述物理氣相沉積方法為直流磁控濺射。
上述方案中，所述離子源為考夫曼型離子源、霍爾效應型離子源、冷/熱陰極潘寧離子源、高頻放電離子源、等離子體陰極離子源、微波陰極離子源或電子束激勵離子源。
上述方案中，所述直流磁控濺射的條件為濺射前本底真空度為10_3_10_6 Pa，濺射時通入氬氣，濺射時的真空度為O. Ι-lPa，濺射速度為O. 1-1 nm/s。
上述方案中，所述金屬層為Ta、Hf、T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr或Nb層。
上述方案中，所述金屬層的厚度為2_50nm。
上述方案中，所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_7Pa lOOOPa，工作時壓強范圍為10_3Pa IOOOPa ;工作氣體為氮氣、氨氣或笑氣，流量為I lOOOsccm ;離子源的輸出功率為I 500000W，引出電壓為IV 5MV，束流為0. Ol-lOOmA。
上述方案中，所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_5Pa 10Pa，工作時壓強范圍為10_2Pa IOOPa ;工作氣體為氮氣、氨氣或笑氣，流量為I lOOsccm ;離子源的輸出功率為I 50000W，弓丨出電壓為IOV 50KV，束流為O. l_50mA。
上述方案中，所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_5Pa 10_3Pa ;工作時壓強范圍為O.1Pa 50Pa ;工作氣體為氮氣、氨氣或笑氣，流量為I 50sCCm ;離子源的輸出功率為10 5000W，弓丨 出電壓為20V 5KV，束流為l_20mA。
上述方案中，所述注入氮離子時，對承載所述金屬層的硅片加溫，通過調節注入偏壓控制注入深度，通過調節注入束流控制注入的劑量。
與現有技術相比，本發明采用的技術方案產生的有益效果如下本發明采用等離子體輔助的物理氣相沉積的制備方法提高阻擋層的致密性，同時也保證其為非晶結構。非晶不存在晶界這樣的可供快速擴散的通道，是理想的阻擋層結構。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明技術方案進行詳細描述。
本發明實施例提供一種金屬氮化物阻擋層的制備方法，具體包括如下步驟(I)采用物理氣相沉積方法中的直流磁控濺射的方法在硅片上沉積Ta層，濺射前本底真空度為10_3-10_6 Pa，濺射時通入氬氣，此時真空度為0. Ι-lPa，在此真空度下進行濺射， 濺射速度為0. 1-1 nm/s，濺射Ta層的厚度為2_50nm。
(2)直流磁控濺射的同時，離子源產生N離子束，向金屬Ta層中注入氮離子使其氮化，離子源腔室的本底壓強范圍為10_7Pa lOOOPa，優選地可為10_5Pa 10Pa，更為優選地可為KT5Pa KT3Pa ;工作時壓強范圍為KT3Pa lOOOPa，優選為0. OlPa lOOPa， 更為優選地可為0.1Pa 50Pa ;工作氣體為氮氣、氨氣及笑氣等含氮的氣體，流量可為I IOOOsccm,優選為I IOOsccm,更為優選地可為I 50sccm ;離子源的輸出功率為I 500000W，優選為I 50000W，更為優選地可為10 5000W ;引出電壓為IV 5MV，優選為 10V 50KV，更為優選地可為20V 5KV ;束流為0. Ol-1OOmA,優選為0. l_50mA，更為優選地可為l_20mA。注入時可對承載金屬層的硅片加溫，使N原子向膜內擴散，注入深度可通過調節注入偏壓加以控制，注入的劑量則由調節注入的束流來控制。
氮離子注入到Ta層中，將自身的能量傳遞給Ta，由此導致Ta原子位移和二次的級聯碰撞，Ta的活性增加將有助于消除薄膜中的孔洞、提高其致密性。同時注入導致的晶格原子的位移會破壞薄膜的晶格結構，使之非晶化。從結構上講，最理想的阻擋層應是單晶材料，不過單晶材料的生長困難，成本高，難以大規模使用。多晶材料由于存在晶界這樣的快速擴散通道，不是理想的阻擋層結構。非晶材料由于沒有晶界，其阻擋Cu擴散的效果顯然優于多晶材料。本發明中采用離子源輔助沉積的方法，對薄膜的非晶化起決定性的作用。
除了上述實施例描述的使用金屬Ta制備金屬氮化物阻擋層，還可以使用金屬Hf、 T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr或Nb制備金屬氮化物阻擋層，制備方法同上述實施例。
本實施例中的離子源可以為考夫曼型離子源、霍爾效應型離子源、冷/熱陰極潘寧離子源、高頻放電離子源、等離子體陰極離子源、微波陰極離子源或電子束激勵離子源。
本發明采用等離子體輔助的物理氣相沉積的制備方法提高阻擋層的致密性，同時也保證其為非晶結構。非晶不存在晶界這樣的可供快速擴散的通道，是理想的阻擋層結構。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明 的保護范圍之內。
權利要求
1.一種金屬氮化物阻擋層的制備方法，所述金屬氮化物阻擋層采用物理氣相沉積方法制備，其特征在于，在沉積金屬層時，物理氣相沉積設備上的離子源產生氮離子束，向所述金屬層中注入氮離子。
2.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述物理氣相沉積方法為直流磁控濺射。
3.如權利要求2所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述直流磁控濺射的條件為濺射前本底真空度為10_3-1(Γ6 Pa，濺射時通入氬氣，濺射時真空度為O.Ι-lPa，濺射速度為 O. 1-1 nm/s。
4.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述離子源為考夫曼型離子源、霍爾效應型離子源、冷/熱陰極潘寧離子源、高頻放電離子源、等離子體陰極離子源、微波陰極離子源或電子束激勵離子源。
5.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述金屬層為Ta、 Hf、T1、W、Mo、Ru、Zr、N1、Cr 或 Nb 層。
6.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述金屬層的厚度為 2_50nm。
7.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_7Pa lOOOPa，工作時壓強范圍為10_3Pa IOOOPa ;工作氣體為氮氣、氨氣或笑氣，流量為I IOOOsccm ;離子源的輸出功率為I 500000W，引出電壓為IV 5MV，束流為 O. Ol-1OOmA0
8.如權利要求7所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_5Pa 10Pa，工作時壓強范圍為10_2Pa IOOPa ;工作氣體為氮氣、 氨氣或笑氣，流量為I IOOsccm ;離子源的輸出功率為I 50000W，引出電壓為IOV 50KV，束流為 O. l-50mA。
9.如權利要求8所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述離子源的腔室的本底壓強范圍為10_5Pa 10_3Pa ;工作時壓強范圍為O.1Pa 50Pa ;工作氣體為氮氣、 氨氣或笑氣，流量為I 50sccm ;離子源的輸出功率為10 5000W，引出電壓為20V 5KV， 束流為l_20mA。
10.如權利要求1所述的金屬氮化物阻擋層的制備方法，其特征在于所述注入氮離子時，對承載所述金屬層的硅片加溫，通過調節注入偏壓控制注入深度，通過調節注入束流控制注入的劑量。
全文摘要
本發明公開了一種金屬氮化物阻擋層的制備方法，屬于半導體器件制造技術領域。所述金屬氮化物阻擋層采用物理氣相沉積方法制備，在沉積金屬層時，物理氣相沉積設備上的離子源產生氮離子束，向金屬層中注入氮離子。本發明采用等離子體輔助的物理氣相沉積的制備方法提高阻擋層的致密性，同時也保證其為非晶結構，非晶不存在晶界這樣的可供快速擴散的通道，是理想的阻擋層結構。
文檔編號H01L21/768GK103021931SQ20111028551
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月23日 優先權日2011年9月23日
發明者王文東, 夏洋, 李超波, 李勇滔, 劉訓春 申請人:北京泰龍電子技術有限公司, 中國科學院微電子研究所